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不同年龄阶段会同杉木林水文学过程定位研究

作　者: 邓湘雯
导　师: 康文星；田大伦
学　校: 中南林业科技大学
专　业: 生态学
关键词: 杉木人工林林龄径流林冠截留蒸发散水量平衡回归模型
分类号: S791.27
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
下　载: 55次
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内容摘要

本研究以亚热带典型森林类型—杉木人工林为研究对象,利用国家重点野外科学观测研究站—会同杉木林生态站对8个集水区25 a来长期定位观测的历史资料,结合补充试验观测,在长时间尺度上,从降水输入、集水区林冠层水分传输、枯落物层水分动态、土壤层水分动态、径流规律与组成,及其水量平衡等方面,研究了不同年龄阶段杉木人工林生态系统的水文过程规律,探讨了林水关系的理论问题,取得了以下几个方面的成果：1、研究区1982-2006年间的年均降水量为1287.2 mm,全年降水次数分布均匀,但降水量主要集中在每年的4-8月份,并且以小强度降水为主。集水区林冠上层的降水量略大于林外200 m处的降水量,且集水区不同部位的降水量并不完全相等；建立了山麓、山坡和林外的降水量相关关系模型,模拟的精度在95%以上。而干燥度指数最大值出现在1月份,其次是12月份；最低值出现在5、6月份。这种降水特征和干燥度指数分布特征有利于水分在土壤中的下渗,有利于杉木人工林对水分的利用,从而促进生长发育。2、随着林分年龄的增大,林冠截留能力不断增强,第Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ龄级的年平均林冠截留率分别为25.7%、28.6%、30.1%和32.9%。随着降水强度的增大,林冠截留率迅速减小,日降水量在0.5 mm·d-1以下时,截留率为98%以上；0.5-1.0mm·d-1对,林冠截留率均在90%以上；对于60 mm·d-1以上的阵性降雨,林冠截留率减少到10%左右。林冠截留量随着降水量的增加而增加,但林冠截留量的增加有个极限值,这个极限值在7～12mm左右。林冠截留的季节变化规律是降水量大的月份,林冠截留量也大,但截留率却小,冬半年,林冠截留率超过30.0%,而5-8月林冠截留率较小,不足28%。林冠截留量的大小也与林分的生长状况密切相关,生长量大的林分,其林冠截留能力强；同一集水区中林冠截留能力的大小顺序是：山沣>山坡>山麓,与其生长量的规律一致。采用逐步回归分析的方法筛选出影响一次性林冠截留降水量的主导因子为降水量、林分年龄、降水强度、上次降水量影响因子、与前次降水的间隔时间等。采用3次多项式回归模型和指数函数能较好地模拟不同龄级的降水量和一次性林冠截留量的关系。一般地,杉木人工林不能有效地降低降雨动能,只有在雨量极小、林冠层截留大部分水量或是雨强极大、直径大的雨滴在枝叶表面撞击分散的情况下,林冠才能有效地降低降雨动能。3、杉木人工林生态系统在第Ⅰ龄级时,受抚育等经营措施的影响,地表径流量最小,年均地表径流系数为0.0071。抚育停止后,地表径流增加。到第Ⅲ龄级时,地表径流系数达到最大值,为0.0220。第Ⅳ龄级开始,地表径流逐渐减少,地表径流系数为0.0093,为第Ⅲ龄级的50%左右。第Ⅰ龄级杉木林的地下径流最大,地下径流系数0.3012,为采伐前成熟林(0.1577)的2倍。随着林分年龄增大,受林冠截留、土壤结构改善和蒸腾作用等方面的影响,地下径流逐渐减少,到第V龄级时径流系数为0.1577；集水区径流输出以地下径流为主,地表径流量只占总径流量的2.3%-8.7%。不同龄级径流的月变化规律和降水量一致,降水量大的月份,径流量也大,4-8月的降水量占年总降水量的62.2%,径流量占年总径流量的71.7%,其中第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ5个龄级,这5个月的平均径流系数分别为0.3566、0.3278、0.2907、0.2123.2123和0.1751,而且径流洪峰主要出现在5-8月份。逐步回归筛选后,影响月平均径流量的主要因子为月平均降水量和林龄。3次多项式的回归模型能较好的拟合各龄级月降雨量与月径流量的关系。4、杉木人工林地土壤水分的变化可分成蓄墒、失墒和平稳三个阶段。林分年龄大,土壤含水率相对较高。土壤水分的垂直分层动态呈两头小(0-15 cm与60-90cm),中间大(15-60 cm间)的变化规律,这对根系吸收和利用水分是有利的。影响土壤含水率的主要因子为：林分年龄、实效降雨量因子、空气相对湿度、连旱因子、降水量、大气温度等,采用多元线性回归模型能准确地预测土壤的含水率。5、蒸发散的年变化规律是随着林分年龄的增大而增大,到第V龄级时达到最大值,蒸散率为0.841。6-9月份的蒸散量更大,5个年龄阶段中这4个月的蒸散量均为全年总蒸散量的51.4%以上。同一集水区中林冠上层的蒸散能力最大,林冠下层的蒸散能力最小。不同集水区中,生长状况好的林分的蒸散能力强。6、采用多模型选优的方法,以单木胸径、树高控制乔木层各组份现存水量,分别建立了杉木单木干材、树皮、枝、叶和根5个组份的现存水量预测模型,提高了预估现存水量的精度。分别编制了5个组分的二元现存水量表,能直接应用于水文学过程和杉木人工林生长过程的规律研究。7、通过水量平衡法,得出了不同年龄阶段杉木人工林生态系统的水量平衡表。在杉木人工林生态系统水量平衡表中,第Ⅲ集水区1984-2006年的年均降水量收入为1295.4 mm,蒸发散和径流支出水量1294.7 mm,占收入水量的99.95%,还有0.05%的水分已以固态有机物的形式进入生物体内,储存在小集水区当中。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-13
第1章绪论  13-41
  1.1 森林生态水文学研究进展  13-36
    1.1.1 生态水文过程的研究特点  13-16
      1.1.1.1 生态水文学概述  13-14
      1.1.1.2 生态水文过程研究的特点  14-16
      1.1.1.3 森林生态水文学  16
    1.1.2 森林水文学研究中的生态系统观  16-18
    1.1.3 集水区森林水文学研究进展  18-25
      1.1.3.1 国外研究现状  18-23
      1.1.3.2 国内研究现状  23-25
    1.1.4 森林生态水文学模型研究进展  25-33
      1.1.4.1 生态水文模型的种类  26-31
      1.1.4.2 水文生态模型与GIS集成  31-32
      1.1.4.3 水文生态模型的尺度效应  32-33
    1.1.5 森林水文学研究的发展趋势  33-35
      1.1.5.1 向生态系统水文学方向发展  33
      1.1.5.2 向多尺度综合研究方向发展  33-34
      1.1.5.3 向长期定位研究方向发展  34
      1.1.5.4 向多学科交叉研究方向发展  34-35
      1.1.5.5 向微观环境水质方向发展  35
      1.1.5.6 向重视过程与机理研究方向发展  35
      1.1.5.7 向综合水文模型研究方向发展  35
    1.1.6 存在问题和研究展望  35-36
  1.2 杉木人工林集水区森林水文学研究进展  36-38
  1.3 选题目的与意义  38-41
    1.3.1 选题背景  38-39
    1.3.2 选题目的与意义  39-41
第2章研究地概况与研究方法  41-57
  2.1 研究地概况  41-43
    2.1.1 研究地基本情况  41
    2.1.2 集水区基本特点  41-43
  2.2 主要研究内容  43
    2.2.1 集水区地形的准确测算  43
    2.2.2 Eco-DBMS的建立  43
    2.2.3 数据处理、水文模拟  43
  2.3 研究方法和技术路线  43-57
    2.3.1 技术路线  43-44
    2.3.2 主要研究方法  44-57
      2.3.2.1 林内气象因子定位观测  44-45
      2.3.2.2 林地土壤调查  45-46
      2.3.2.3 林外降雨量的测定  46
      2.3.2.4 林下降雨量的测定  46
      2.3.2.5 树干茎流的测定  46-47
      2.3.2.6 径流量的测定  47
      2.3.2.7 集水区林分处理方法  47-48
      2.3.2.8 小集水区技术原理  48-49
      2.3.2.9 Eco-DBMS的建立  49-57
第3章集水区降水特征和干燥度指数  57-67
  3.1 结果与分析  57-65
    3.1.1 集水区降水特点  57-63
      3.1.1.1 林内外降水差异  57-58
      3.1.1.2 降水分布特征  58-60
      3.1.1.3 降水的月分布规律  60-61
      3.1.1.4 年降水量与降水变率  61-63
    3.1.2 集水区气候干燥度指数  63-65
  3.2 讨论与小结  65-67
第4章林冠层对降水分配的规律  67-83
  4.1 概述  67
  4.2 结果与分析  67-81
    4.2.1 一次性降雨的第一次分配  67-70
    4.2.2 林冠截留的季节变化  70-72
    4.2.3 林冠截留的空间差异  72-74
    4.2.4 林冠截留模拟  74-78
    4.2.5 杉木人工林对降水能量的影响  78-81
      4.2.5.1 大气降水中雨滴到达林冠面的速度  78-79
      4.2.5.2 冠滴水到达地面的速度  79
      4.2.5.3 大气降水雨滴与冠滴水直径大小与分布  79-80
      4.2.5.4 林冠表面和林内地面降水动能  80-81
  4.3 结论  81-83
第5章不同年龄阶段杉木人工林的径流规律  83-97
  5.1 概述  83-84
  5.2 结果与分析  84-95
    5.2.1 凋落物的贮水能力分析  84-85
    5.2.2 杉木林地产汇流特征分析  85-86
    5.2.3 径流的年变化规律  86-90
      5.2.3.1 地表径流年变化规律  86-88
      5.2.3.2 地下径流年变化规律  88-89
      5.2.3.3 总径流年变化规律  89-90
    5.2.4 径流的月变化规律  90-94
      5.2.4.1 各龄级月径流量的比较  90-92
      5.2.4.2 月平均径流量的预测  92-94
    5.2.5 洪峰流量  94-95
  5.3 结论与讨论  95-97
第6章土壤物理性质及其水文功能规律  97-107
  6.1 概述  97
  6.2 结果与分析  97-106
    6.2.1 土壤持水特性和土壤物理学参数  97-99
    6.2.2 土壤水分的月变化规律  99-100
    6.2.3 不同年龄阶段土壤水分的变化规律  100-103
    6.2.4 土壤含水量垂直分层的动态特点  103-104
    6.2.5 土壤含水量与其它生态因子的规律  104-106
  6.3 结论与讨论  106-107
第7章不同年龄阶段杉木人工林的蒸散规律  107-115
  7.1 概述  107-108
  7.2 结果与分析  108-113
    7.2.1 计算方法  108-109
    7.2.2 蒸发散的年变化和月变化规律  109-111
    7.2.3 蒸发散的空间差异  111-112
      7.2.3.1 林地不同高度蒸散力分析  111
      7.2.3.2 不同集水区的蒸发散比较  111-112
    7.2.4 蒸发散的影响因子分析  112-113
  7.3 结论与讨论  113-115
第8章杉木人工林生态系统的水文调节功能  115-125
  8.1 单木各组份的现存水量  116-117
    8.1.1 单木各组份的现存水量经验数学模型  116
    8.1.2 单木生物量经验数学模型拟合结果  116-117
  8.2 集水区林分各组分的贮水能力  117-118
  8.3 根系的空间分布及其现存水量  118-119
  8.4 叶面积与林冠截留能力  119-122
    8.4.1 叶面积与叶干重的相关模型  120
    8.4.2 杉木单木叶面积的经验回归方程  120
    8.4.3 杉木人工林生态系统乔木层的叶面积  120-121
    8.4.4 叶面积与林冠截留能力  121-122
  8.5 集水区地被物现存水量及截留降水量特征  122-124
    8.5.1 地表层现存水量  122-123
      8.5.1.1 凋落物现存水量预测模型  122
      8.5.1.2 草本现存水量预测模型  122
      8.5.1.3 灌木枝叶现存水量预测模型  122-123
      8.5.1.4 灌木根现存水量预测模型  123
    8.5.2 地被物截留降水量  123-124
  8.6 结论与讨论  124-125
第9章不同年龄阶段杉木人工林的水量平衡  125-131
  9.1 概述  125
  9.2 水量平衡  125-129
  9.3 结论与讨论  129-131
第10章论文的主要结论、创新点和研究展望  131-135
  10.1 主要结论  131-133
  10.2 创新点  133
  10.3 研究展望  133-135
参考文献  135-144
致谢  144-145
攻读博士学位期间的主要学术成果  145-146

不同年龄阶段会同杉木林水文学过程定位研究

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